區域互聯多電壓等級直流電網運行控制系統

孫 潔，何麗娟，賀興安，袁 昊

（國網銀川供電公司，寧夏銀川 750000）

因多電壓等級直流輸電具有高度可控性與快速控制性能，其在電力系統中得到了廣泛應用。區域互聯多電壓等級直流電網是電力系統的重要組成部分，主要負責整流與逆變電流的控制，能夠保證電力系統的安全穩定運行。為了提高直流電網運行控制能力，實現直流輸電系統的內部調節以及與所連交流系統的外部調節，需要設計一種新的區域互聯多電壓等級直流電網運行控制系統。

對此，一些學者進行了有關區域互聯多電壓等級直流電網運行控制策略的研究。文獻[1]提出了包含集成電力的多直流電壓等級互聯電網運行控制技術與直流故障隔離對策，利用柔性直流輸電技術建立包含新能源的多直流電壓等級互聯電網，以此設計基于DCCB 技術的故障隔離對策，完成電網運行控制的設計。但該方法在控制穩定性方面略有不足，運行過程時常產生崩潰等問題。文獻[2]提出多電壓等級直流配電網的去中心化雙向壓力支撐管理策略，利用分散型歸一化電流進行平方差控制，通過儲能型自動轉換器的下垂管理，使各個線路母接通壓力差在歸一化角度下相同，完成對各個電壓等級直流電網的統一調度管理，此方法在控制過程中運算量巨大，控制能力不足。

為了使控制結果達到標準要求，提高電網運行控制能力，設計了區域互聯多電壓等級直流電網運行控制系統。

1 電網接線方式

為了消除地中電流所引起的電腐蝕問題，該文分別針對單極直流電與雙極直流電接線方式，通過區域互聯多電壓等級直流電網接線操作實現運行控制[3-4]。

1.1 單極接線

單極直流輸電接線方式為負極型，利用兩條引線組成直流雙極性輸出電路，因此該文采用金屬回線方式進行接線，過程如式（1）所示：

其中，D表示換流變壓器數值；f1表示直流輸電線路總量；ei表示第i條直流輸電線路的平波電抗器電阻。單級金屬回線連接方式如圖1 所示。

圖1 單級金屬回線連接方式

由圖1 可知，用一條金屬回線取代在單極回線線路上的位置導線，當直流供電系統正常工作時，由于地中并無電流通過，能夠避免因地輸出電流而引起的電化學傳感器腐蝕和直流變壓器磁飽和的問題[5]。

1.2 雙極接線

雙極直流輸電通過兩端中性點接地的正負兩極線路，與兩端換流站之間的正負兩極關系相連接，形成直流的閉環電路[6-7]。接線原理如式（2）所示：

其中，M表示雙極換流變壓器數值；m表示雙極直流輸電線路數量；cj表示第j條雙極直流輸電線的線路電阻；aj表示第j條雙極直流輸電線的換流器電阻[8]。連接方式如圖2 所示。

圖2 雙級金屬回線連接方式

在正常工作時，直流電流的主要路徑是正負兩個極線，正負兩極關系與地轉換電源中的電流相反，地轉換電源輸出是正負兩極的輸出電壓之差[9-10]。因此雙極中每個極都形成一個單獨工作的雙單極交流輸電系統，而雙極的電壓和輸出并不相同。當雙極壓力和電流都相同時，由于無電流通過，因此避免地中額定電流所造成的電氣腐蝕問題出現[11]。

2 控制系統硬件設計

2.1 換流器設計

該文采用IAK-128 型換流器，其功能是實現交流和直流的相互轉換。換流器是區域互聯多電壓等級直流電網系統的關鍵設備，其結構如圖3 所示。

圖3 換流器結構

該文使用的換流器回路為三相橋式回路，由六條橋臂構成。每一條橋臂由一百個并聯的晶閘管模塊構成，橋臂之間能從陽極向陰極單方向導通。三相換流機上的六根閥臂均按時間順序編號，閥1、閥3 和閥5 構成上半橋，閥2、閥4 和閥6 構成下半橋。其中，閥1 和閥4、閥3 和閥6、閥2 和閥5，依次組成了三個閥對。閥對的中央端子為橋的交換端子，并各自相應地接通到換流變壓器的三相，完成交流與直流的轉換[12-13]。

2.2 逆變器設計

該文選用JKI-1092 系列逆變器，其主要功能是將加在閥上的交流工作電壓在負半周時將閥導通，并分析電流逆變狀態。當控制系統工作時，直流平均電壓為負。逆變器結構如圖4 所示。

圖4 逆變器結構

當電流經過負半周導致晶閘管關斷后，如果再次施加正向電壓并且提供足夠的正向電流，晶閘管會重新導通[14-15]。

3 直流電網運行控制軟件設計

3.1 功率調制功能

調制直流輸電線路中所輸入的功率，能夠有效提升該系統的暫態穩定性。該系統利用直流功率調制對兩端系統進行調頻，以調節兩個地區間的交流功率變化，如式（3）所示：

其中，r表示系統總功率；r1表示正極端功率；r2表示負極端功率。

當直流一側的交流區域出現擾動后，功率調制可以協助其迅速進行頻譜恢復，過程如式（4）所示：

其中，W表示交流系統負荷；R表示交流電纜電阻；E表示應急頻率。當逆變側交流系統喪失發電功能、整流側交流系統甩負荷或交直流并行輸電系統的交流電纜出現問題時，應急頻率提高；而當整流側交流系統喪失發電功能或逆變側交流系統甩負荷時，應急頻率回降。

3.2 定電流控制功能

在定電流控制功能中主要控制定電流，定電流控制器還能夠控制直流發輸電的工作電壓，并控制直流輸入功率和直流功率調節，以提高控制系統的工作穩定性。其中定電流控制的原理如式（5）所示：

其中，K表示輸出電流；L表示直流輸入功率；I表示直流電流。

對比直流電流互感器所測量的直流電流額定值與整定值，將偏差放大，放大后的輸出功率經過調整相位控制電路，改變整流器的觸發角度，將偏差降低，保證額定值小于或接近整定值。系統直流電流傳感器正常工作后，若系統輸出的真實數值偏低，則定電流控制器可將接觸角向5°角度偏移；若直流電流過高，則控制器就會改變接觸角度并向160°角度偏移。具體過程如式（6）所示：

其中，P表示傳感器輸出數值；A表示系統實際電流。

在整流側，定電流傳感器的數據為電流密度整定值和與實際電流的誤差，誤差驅動控制器所獲得的數據為接觸角度的相關信息，控制器的數據為觸發延遲角的指示值[16]。

3.3 定電壓控制功能

定電壓控制器的基本構造與定電流控制器相似。定電壓控制器在工作中自動改變換流器的接觸角，保持直流線路送端或受端的電流在規定范圍內。直流電壓調節器通過一個動態電流限值調節。直流切換電源開路時會產生過高的直流電壓，整流環節內側電流調整裝置參與調整，利用調節設備所產生的控制信號提高觸發角，以達到控制定電壓的目的。具體過程如式（7）所示：

其中，V表示控制電壓；U表示整流環節內側電流。

定電壓輸出系統更有助于受端交流系統的穩定[17]。當受端交換裝置遭受干擾，接入電流下降，直流系統電壓降低，直流電流增加，逆變器相角加大。由于換相角加大，逆變器的功率因數減少，所耗費的無功功率也加大，導致逆變站接入電流減少。具體過程如式（8）所示：

在執行定電壓控制功能時，當受端電網的交換壓力降低而引起直流線路壓力下降時，為保持直流壓力恒定不變，電流調制器將降低逆變器相角，使逆變器的功率因數增加，消耗的無功功率控制減少，有助于接通后電流的恢復以及阻尼器電流的振蕩控制。

4 實驗分析

為了驗證該文設計系統的實際應用效果，進行實驗。選用的換流站共有兩組，分成A、B 兩組。其中，A 組換流站的母線電壓為550 V，與系統產生的交換無功為-220 MVAr；B 組的母線電壓為520 V，與系統產生的交換無功為-100 MVAr。當換流站工作時，產生的直流電壓為800 V，直流電流為400 A，功率為500 MW，系統在運行過程中，會產生切機負荷，工作頻率在45～55 Hz 之間，實驗環境如圖5 所示。

圖5 實驗環境

以傳統的基于綜合能源分析的控制系統、直流配電網的分散式控制系統為對照進行對比實驗，分別在低壓（36～220 V）、高壓（10～220 kV）、超高壓（330～750 kV）三個等級進行控制，分析不同控制系統的控制能力。

觀察圖6 可知，傳統的控制系統在低壓控制過程中存在較大的局限性，該文提出的控制系統與標準要求基本吻合，控制吻合度達95%。

圖6 低壓控制結果

由圖7 可知，在高壓狀態下，標準電壓的要求較小，但是傳統控制系統受到高壓的沖擊，出現極大的波動，無法保證系統運行過程的穩定性。而該文提出的控制系統的控制吻合度可達97%。

圖7 高壓控制結果

根據圖8 可知，超高壓狀態下，電網的運行情況較差，傳統系統控制下的電壓波動范圍較大，電網運行過程容易出現安全事故。而該文提出的控制方法與標準要求吻合度為98%，具有很強的控制能力。

圖8 超高壓控制結果

5 結束語

控制系統在多電壓直流輸電系統中具有非常關鍵的地位，決定了整個直流控制系統的運行穩定性，該文設計了一種區域互聯多電壓等級直流電網運行控制系統，提出在單極和雙極狀況下的接線方法為該系統設計的基礎，硬件部分選擇了IAK-128 型換流器和JKI-1092 系列逆變器，而軟件部分包括了三個基本控制功能，分別是功率調節功能、定電流控制功能和定電壓控制功能。經實驗表明，該文設計的控制系統相比傳統系統，電壓控制吻合度更高，滿足標準電壓要求，說明該系統的區域互聯多電壓等級直流電網運行控制能力較強。